Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.586.5

С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА

Аннотация. Разработана новая конструкция волоконно-оптического датчика давления на туннельном эффекте, технологический процесс сборки которого упрощен в сравнении с базовой конструкцией, в два раза уменьшены габаритные размеры.

Ключевые слова: волоконно-оптический преобразователь, волоконно-оптический датчик, туннельный эффект, кремниевая мембрана, функция преобразования, технологический процесс, оптические волокна.

Abstract. The new design of the fiber-optical sensor of pressure on tunnel effect is developed, technological which process of assemblage is simplified in comparison with a base design, overall dimensions are twice reduced.

Keywords: fiber-optical converter, the fiber-optical sensor, tunnel effect, a silicon membrane, transformation function, technological process, optical fibres.

Введение

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в нее. И это вполне понятно: нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение, качество жизни населения. Поэтому перед разработчиками средств измерений встает задача создания нового класса измерительных устройств, где ведутся работы с веществом на уровне отдельных атомов. Необходимо разрабатывать средства измерений, использующие материалы, полученные методами нанотехнологий, а также использовать физические эффекты в нанометровом диапазоне. К такому эффекту относится так называемый эффект туннелирования, который в оптике называют «туннельный эффект». Суть его заключается в проникновении оптического излучения в материал на глубину, равную длине волны излучения. Изменение состояния материала в пределах данной длины ведет к изменению параметров оптического излучения. Авторы данной статьи предлагают данный эффект использовать при разработке волоконнооптических датчиков давления (ВОДД), причем без кардинального изменения базовых конструктивов, т.е. максимально используя ранее разработанные конструкции датчиков давления, в частности ВОДД отражательного типа [1, 2].

Известные ВОДД отражательного типа, содержащие оптические волокна, установленные на фиксированном расстоянии от светоотражающей поверхности (металлической мембраны или отражающего аттенюатора), процесс измерения давления в которых осуществляется путем регистрации изменения интенсивности отраженного светового потока в зависимости от прогиба мембраны, имеют один существенный недостаток: высокую температурную погрешность, обусловленную изменением геометрических размеров датчиков.

1. Описание конструкции

В разработанном ранее ВОДД на основе оптического туннельного эффекта данный недостаток устранен (рис. 1,а) [3].

конструкция-прототип

модернизированная конструкция Ф22"

а) б)

Рис. 1. Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта: а - базовая конструкция; б - модернизированная конструкция

№ 4 (16), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Датчик содержит подводящие (ПОВ) и отводящие оптические волокна (ООВ), мембрану, на которую нанесена кольцевая прокладка толщиной, приблизительно равной длине волны источника излучения (для инфракрасного излучения приблизительно 1 мкм), и которая воспринимает измеряемое давление и перемещается под действием давления относительно скошенных торцов ПОВ и ООВ.

Особо привлекательной в этом датчике является возможность использования в качестве мембраны кварцевой пластины малых габаритов (радиус мембраны при измерении давления в диапазоне 0-30 МПа составит приблизительно 4-5 мм). Такое конструктивное решение позволяет снизить погрешность, обусловленную изменением конструктивных параметров датчика при изменении температуры окружающей среды. Использование кварцевого стекла позволяет свести данную составляющую погрешности до минимума. Так, например, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла марки С5-1 составляет 5-10- 1/°С, и при изменении температуры в диапазоне от минус 100 до плюс 500 °С относительное расширение материала составит приблизительно 0,0025 %, изменение модуля Юнга приведет к дополнительной погрешности, не превышающей в данном диапазоне температур 1 %.

Однако у ранее разработанного датчика большие габаритные размеры, сложный процесс сборки и отсутствие возможности контролировать требуемый зазор между мембраной и скошенными торцами волокон.

Авторами предлагается модернизировать конструкцию и упростить процесс сборки измерительного преобразователя (ИП) ВОДД на основе туннельного эффекта (рис. 1,б).

Основные этапы процесса сборки ИП данного датчика (рис. 2, 3):

1. Рабочие торцы оптических волокон 1 временно неподвижно закрепляются в металлической втулке 2.

2. Затем на расстоянии I от поверхности втулки 2 таким же образом крепятся на каждое волокно в отдельности наконечники 3, после чего совместно с волокнами они срезаются под углом 0 и полируются по сечению А-А, после этого наконечники и втулка удаляются (рис. 2,а).

3. Концы двух оптических волокон 1 (подводящего и отводящего световые потоки), у которых рабочие торцы срезаны под углом 0, вклеиваются в металлическую втулку 4 из стали 29НК на расстоянии Ь относительно друг друга таким образом, чтобы свободные концы волокон выступали над поверхностью пластины на высоту I, определяемую из выражения

I = ПК + ^ОВ ,

2 180

где К - расчетный радиус скругления поверхности углубления, на которую укладывается оптическое волокно.

4. Оптические волокна 1 укладываются на «подушку» 5 радиусом

К > (5...10М

ОВ-

«Подушка» 5 представляет собой деталь треугольной формы с углом при вершине равным 20 с углублением, повторяющим форму оптического волокна, глубина и ширина углубления соответствуют внешним размерам оптического волокна. Длина основания треугольника в сечении А-А равна (Ь-а?ов). Для исключения поломов оптических волокон угол при вершине закруглен, причем

Я = -п

Лов

А-А - плоскость среза и полироЬки оптического до л окна

а)

Рис. 2. Процесс изготовления ВОДД на основе туннельного эффекта: а - формирование скошенных торцов ОВ; б - крепление ОВ в металлической втулке

Для обеспечения точной сборки целесообразно, чтобы допуск на размер Я был положительным. Это позволит в случае необходимости довести его до требуемого значения (рис. 3,а).

5. Чтобы оптические волокна лежали на «подушке» 5, они к ней сверху прижимаются металлической крышкой 6, которая с помощью сварки скрепляется со втулкой 4. Крышка 6 по центру имеет сквозное отверстие, шириной, равной диаметру оптического волокна, и длиной

а = 2Н !§©,

где Н ~Лов. Свободное пространство под крышкой заполняется клеящим составом, например ситаллоцементом (рис. 3,б).

6. Часть оптических волокон, которая оказалась выше крышки на величину Н, срезается вдоль поверхности Б-Б и полируется (рис. 3,б).

/1-/1

Рис. 3. Процесс изготовления измерительного преобразователя ВОДД на основе туннельного эффекта

7. Внутренний диаметр отверстия doВ (рис. 3,в) должен быть меньше внешнего диаметра мембраны dМ (рис. 4).

Для задания зазора между мембраной и скошенными торцами ОВ предложено в конструкцию ввести мембранный блок, представляющий собой конструктивный элемент в виде крышки 8, мембраны 7, соединенные между собой с помощью ситаллоцемента (рис. 4).

В этом случае требуемый зазор Х0 между мембраной и скошенными торцами ОВ обеспечивается путем доводки поверхности крышки до требуемого размера.

Чтобы модуляция оптического сигнала в зоне измерения осуществлялась за счет туннельного эффекта, необходимо, чтобы зазор был приблизительно равен длине волны излучения (например, для инфракрасного излучения И ~ 1 мкм).

Ф 10,5

Рис. 4. Мембранный блок: 8 - крышка, 7 - мембрана

8. Полученные сборки соединяются между собой с помощью импульсной сварки таким образом, чтобы совпали их оси симметрии.

2. Принцип действия

Датчик работает следующим образом.

От источника излучения световой поток по подводящим оптическим волокнам направляется в сторону мембраны под углом 0, значение которого задается формой и размерами «подушки» и выбирается из условия обеспечения максимальной чувствительности преобразования и глубины модуляции оптического сигнала [2].

Под действием контролируемого давления мембрана прогибается, и в центральной части зазор между мембраной и скошенными торцами оптических волокон будет меньше первоначального значения Х> В результате этого изменяется отражательная способность для электромагнитных волн в области скошенных торцов оптических волокон, соответственно изменяется интенсивность отраженного под углом 0 от данной области светового потока, несущего информацию об измеряемом давлении Р и поступающего по отводящим оптическим волокнам на приемник излучения.

Разработана обобщенная структурная схема высокотемпературного ВОДД на основе туннельного эффекта. Схема приведена на рис. 5. На схеме приняты следующие обозначения: БПИ - блок преобразования информации; ПФН - преобразователь фототок-напряжение; БП - блок питания; ГПТ - генератор постоянного тока; ОЭБ - оптоэлектронный блок; ПИ - приемник излучения; ИИ - источник излучения; ООВ - отводящее оптическое волокно; ПОВ - подводящее оптическое волокно; ЧЭ - чувствительный элемент.

Чувствительный элемент ВОДД представляет собой упругий элемент, выполненный в виде плоской круглой мембраны (из кремниевого стекла марки КЭФ4,5/60). ОЭБ выполняет роль преобразователя оптического излучения в электрический ток. ВОДД соединяется с блоком преобразования информации, который преобразует выходной сигнал датчика в стандартный сигнал (например, 0,6 В).

Световой поток от ИИ по ПОВ подается в зону измерения, т.е. падает на ЧЭ. При прогибе мембраны под действием внешнего давления происходит модуляция оптического излучения, поступающего в отводящее оптическое волокно. При прогибе мембраны изображение отраженного светового пятна в плоскости ООВ скользит вдоль приемной поверхности ООВ. При этом происходит изменение площади перекрытия пятна и плоскости ООВ.

Рис. 5. Обобщенная структурная схема волоконно-оптического датчика давления

По ООВ световой поток направляется на ПИ, где преобразуется в эквивалентный фототок ДР), который впоследствии преобразуется в напряжение U(P) с помощью преобразователя фототок-напряжение ПФН, здесь же U(P) усиливается до необходимой величины.

Таким образом, на выходе ПФН рабочего измерительного канала получается напряжение, по амплитуде которого можно судить о значении внешнего давления.

Математическую основу ВОДД составляет модель функции преобразования, которая может быть представлена зависимостью светового потока, попадающего на фотоприемник, от контролируемого параметра Р и множества внешних факторов £:

Ф(Р) = Фо X ДР)5,

(1)

где Ф(Р) - световой поток, попадающий на приемник излучения; Ф0 - поток, излучаемый источником излучения; ^Р) - коэффициент передачи тракта «выходной торец передающего волокна - мембрана - входной торец приемного волокна».

Геометрические построения, необходимые для вывода функции преобразования, приведены на рис. 6. На рис. 6 показаны зоны пересечения скошенных торцов подводящего и отводящего оптических волокон и светового потока, прошедшего через эту зону.

Коэффициент передачи определяется следующим образом:

^ОСВ AHFEDB

K (P) = -

(2)

ООВ

где SocB aHFEDB - площадь освещенности светового пятна (рис. 6); SooB -площадь сечения отводящего оптического волокна (эллипса);

nab

S

ООВ

2

где а - большая полуось эллипса; Ь - малая полуось эллипса; ^ОСВ

2 т 2

, Z rT'fa2b2 -Z^b

= ab • arccos------Z------------------

a a

(3)

где

7 а - 32 2=—;

= ,-3(1-^ Щ

16 ЕИ3

(5)

(6)

где 2 - длина волны излучения; Е - модуль упругости материала мембраны; |и - коэффициент Пуассона.

У

/1 В

м

6 С ,

О Я

Е

а

Рис. 6. Площадь освещенности светового пятна, отраженного от мембраны

Согласно геометрическим построениям 5Осв АОЕ = ^ОСВ АСЕ. Подставив формулы (5) и (6) в формулу (4), получим

а2 -3а

ОСВ АОЕ

= аЬ • агссоБ-

^ 3(1- \х2) РЯ4 ^ 16 ЕИ3

2

а-3

Г1 3(1- ^2) РЯ4 ^ 16 ЕИ3

XI

3а3аЬ2 - 6Ь2а2 "1 3(1- ^2) РЯ4 ^ ч 16 ЕИ3 , 1§0 + 9Ь2 а "1 3(1- |и2) РЯ4 ^ ч 16 ЕИ3 ,

4

г§0

(7)

ОСВ HОF

= аЬ • агссоБа -а

3(1- ]ц2) РЯ 16 ЕИ3

4 >

1§0-а-

(1 3(1- ^2) РЯ4 ^ 16 ЕИ3

1§0х

-2Ь2а2

^ 3(1-]ц2) РЯ4 ^ 16 ЕИ3

1§0 + аЬ2

1

3(1- ]ц2) РЯ 16 ЕИ3

180. (8)

Из рис. 6 видно: 5ОСВ АИРЕ = 5ОСВ АББЕ или 5ОСВ АИРЕ = 5ОСВ АОР -5ОСВ ПОР,

Л

180

а2 -3а

^3(1-ц2) РЯ4 Л

Я

ОСВ АИРЕ

= аЬ • агссо8-

16 ЕИ3

а-3['1_3(1-й2) Л

16 ЕИ3

2

180

-х

3а3аЬ2 - 6Ь2а2 ^ 3(1- ц2) РЯ4 Л ч 16 ЕИ3 , 180 + 9Ь2 а ^ 3(1 - ц2) РЯ4 Л ч 16 ЕИ3 , 180

л

X

-аЬ • агссо8 а2 - а

(

1-

3(1- [I2) РЯ4 Л

16 ЕИ3

180-а-

^ 3(1-ц2) РЯ4 Л

1- 3 180х

16 ЕИ3 ,

х

л» 2 2

-2Ь а

^3(1- ц2) РЯ4 Л

^ 16 ЕИ3

5ОСВ АИРЕПБ = 5ОСВ АИРЕ тогда

180 + аЬ2

.4 Л

1

3(1- ц2) РЯ 16 ЕИ3

180. (9)

а2 -3а

ОСВ АИРЕ

= 2аЬ • агссо8-

4 Л

1

3(1 - ц2) РЯ 16 ЕИ3

180

а -3

^ 3(1- ц2) РЯ4 Л 16 ЕИ3

2

180

-х

3а3аЬ2 - 6Ь2а2 ^ 3(1- ц2) РЯ4 Л ч 16 ЕИ3 , 180 + 9Ь2 а ^ 3(1 - ц2) РЯ4 Л ч 16 ЕИ3 , 180

Л

X'

(

-аЬ • агссо8а2 -а

4 Л

1

3(1- ц2) РЯ 16 ЕИ3

180-а-

ГЛ 3(1-ц2) РЯ4 Л _

1- 16 3 180х

16 ЕИ3 ,

х

л» 2 2

-2Ь а

^ 3(1- ц2) РЯ4 Л 16 ЕИ3

180 + аЬ2

.4 Л

1

3(1- ц2) РЯ 16 ЕИ3

180. (10)

Подставив выражения (4) и (10) в (2), получим коэффициент передачи тракта «выходной торец передающего волокна - мембрана - входной торец приемного волокна» К(Р). На рис. 7 приведена конструкция модернизированного ВОДД на основе туннельного эффекта. При этом все достоинства ранее разработанного датчика сохранены.

*дг*

Рис. 7. Модернизированная конструкция «волоконно-оптический датчик давления»: 1 - блок волоконно-оптический; 2 - блок мембранный;

3 - волоконно-оптический кабель; 4 - корпус; 5 - втулка

№ 4 (16), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника

Заключение

1. Модернизированная конструкция ВОДД по своим габаритным размерам приблизительно в два раза меньше конструкции датчика-прототипа.

2. Упростился процесс сборки данного датчика за счет использования унифицированной конструкции блока мембранного, а необходимое для туннелирования оптического сигнала расстояние в 1 мкм между мембраной и оптическими волокнами обеспечивается за счет доведения до требуемого размера поверхности вновь введенного в конструкцию элемента.

3. Такая конструкция датчика обеспечивает более высокую точность измерения давления в условиях изменения температуры окружающей среды. Одновременно данное техническое решение не требует существенного усложнения конструктивного и схемного решения датчика, соответственно, не ведет к лишним материальным затратам.

4. Предлагаемый датчик может быть использован для измерения больших давлений в условиях изменения температуры окружающей среды в диапазоне ±100 °С на изделиях ракетно-космической техники, не требует сложных технологических и измерительных операций при изготовлении.

Список литературы

1. Пат. 2253850 РФ, МПК6 G01 L 11/02, 19/04. Волоконно-оптический датчик давления / Т. И. Мурашкина, Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, А. Г. Пивкин ; опубл.

10.06.2005, Бюл. № 16.

2. Крупкина, Т. Ю. Волоконно-оптический датчик избыточного давления отражательного типа. Описание конструкции. Принцип действия / Т. Ю. Крупкина // Надежность и качество : труды Междунар. симпозиума (22-31 мая 2006 г.). -Пенза : Инф.-изд. центр ПензГУ, 2006. - Т. 1. - С. 344-345.

3. Мурашкина, Т. И. Волоконно-оптический датчик давления на туннельном эффекте / Т. И. Мурашкина, А. Г. Пивкин, Е. А. Бадеева, А. В. Гориш, Т. Ю. Крупкина // Датчики и системы. - 2005. - № 8. - С.10-12.

4. Бусурин, В. И. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения / В. И. Бусурин, Ю. Р. Носов. - М. : Энергоатомиздат, 1990. -188 с.

Мурашкина Татьяна Ивановна

доктор технических наук, профессор, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет

E-mail: [email protected]

Бростилов Сергей Александрович

аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: [email protected]

Бростилова Татьяна Юрьевна

начальник группы метрологического мониторинга УСК, Пензенский государственный университет

E-mail: [email protected] 116

Murashkina Tatyana Ivanovna Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of instrument engineering, Penza state university

Brostilov Sergey Alexandrovich

Postgraduate student,

Penza State University

Brostilova Tatyana Yuryevna Quality Control metrological monitoring group leader, Penza State University

УДК 681.586.5 Бростилов, С. А.

Волоконно-оптический датчик давления на основе туннельного эффекта / С. А. Бростилов, Т. И. Мурашкина, Т. Ю. Бростилова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2G1G. -№ 4 (16). - С. Ю6-117.